Abbiamo parlato con Saija Franz del CNR per farci spiegare la sua ultima ricerca apparsa su Chemical Communications, della Royal Society of Chemistry. L’obiettivo dello studio è stato quello di riprodurre il processo chimico che potrebbe aver determinato la sintesi primordiale dell’eritrosio, antenato del ribosio, lo zucchero che compone l’Rna.

Con lo scienziato abbiamo parlato in una lunga chiacchierata di molecole, origine della vita e tanti altri aspetti interessanti dei processi che sono alla base della vita.

– Come si sono formate le prime molecole?

Le molecole che hanno avuto un ruolo fondamentale nella formazione delle prime strutture biologiche sono tutti i composti che si basano sulla chimica del carbonio. In chimica prebiotica (quel campo della chimica che si occupa di comprendere quei processi che portarono alla formazione di composti organici partendo da molecole inorganiche) oltre al carbonio, sono fondamentali l’ossigeno, l’azoto, il fosforo e lo zolfo e, ovviamente l’idrogeno, che è l’atomo più abbondante nell’universo. Partendo da questi elementi, sintetizzati nei nuclei delle stelle e disseminati nello spazio dalle esplosione delle supernove, si sono formate le molecole inorganiche più importanti per la vita come la conosciamo oggi noi: acqua, ammoniaca, monossido di carbonio, idrogeno e azoto molecolare, metano e molte altre. Partendo da queste, il passaggio successivo è stato quello della sintesi di molecole poco più complesse come la formaldeide CH2O, l’acido cianidrico HCN, l’acido formico HCOOH, la formammide (NH2COH), etc. Da queste si è passati a sistemi via via più complessi e meglio organizzati fino ad arrivare alle macromolecole biologiche.

-Che ruolo ha avuto il ribosio (e derivati) nella formazione dell’RNA?

Una delle più discusse reazioni chimiche per spiegare il passaggio da molecole semplici, come la formaldeide, agli zuccheri, come il ribosio, è la nota Formose Reaction, conosciuta anche come reazione di Butlerov (Aleksandr Butlerov fu il chimico russo che la descrisse per la prima volta nel 1861). Quest’ultima è una reazione autocatalitica che avviene attraverso alcuni specifici stadi definibili come reazioni di aldolisi e retroaldolisi (il termine formose deriva da formaldeide e aldoso). Per la chimica prebiotica la formazione degli zuccheri da molecole semplici riveste particolare importanza, in quanto le struttura sia dell’RNA (acido ribonucleico) sia del DNA (acido desossiribonucleico) sono costituite dal ribosio e dal desossiribosio (la differenza fra i due è un atomo di ossigeno che dona una maggiore capacità catalitica all’RNA rispetto al DNA). Essa coinvolge dunque la formazione di un primo legame Carbonio-Carbonio a partire da una soluzione acquosa più o meno diluita di formaldeide che, tramite un cosiddetto umpolung (inversione di polarità), dà luogo all’unico possibile diosio (che contiene due atomi di carbonio): la glicolaldeide. Il primo step della formose reaction è caratterizzato da un evento sostanzialmente improbabile anche in condizioni alcaline particolari e non a caso rappresenta la cosiddetta “parte lenta” di tale catena di reazioni. Infatti, una volta formata la glicolaldeide, essa agisce da catalizzatore e la reazione procede in modo rapidissimo; così, la glicolaldeide, interagendo con una molecola di formaldeide, può dar luogo alla gliceraldeide, che è il primo triosio (tre atomi di carbonio) ad essere osservato. L’anello successivo di tale catena di reazioni è rappresentato dalla formazione di un qualche tetrosio come, ad esempio, l’eritrosio. Esso può formarsi direttamente dalla reazione di una gliceraldeide con una formaldeide o attraverso la reazione diretta di due molecole di glicolaldeide. Una volta formatosi un tetrosio, basta una semplice reazione tra esso e una formaldeide per dar luogo al ribosio e/o ad uno qualunque dei suoi isomeri (ribulosio, deossiribosio, ecc…). Come già evidenziato, il punto a sfavore della formose reaction è il primo passaggio dalla formaldeide alla glicoaldeide. Diversi sono stati nei decenni i tentativi sperimentali di trovare catalizzatori capaci di rendere probabile la reazione. La glicoaldeide, però, è stata anche osservata sia nello spazio interstellare sia nel gas che circonda una giovanissima stella di massa simile a quella del Sole, indicando che alcuni dei composti chimici necessari per la vita esistevano in questo sistema nel momento in cui avrebbe potuto aver luogo la formazione dei pianeti. Partendo da questa considerazione, nel nostro laboratorio “virtuale” abbiamo simulato una miscela di acqua e glicoaldeide ed usato come catalizzatore un campo elettrico di intensità così elevata da mimare il fenomeno della fulminazione. L’uso di un campo elettrico esterno che funga da catalizzatore delle reazioni primarie che portano dalle molecole semplici presenti, in una terra primordiale, a molecole più complesse è stato già testato in un esperimento numerico dal nostro gruppo nel 2014 (pubblicato sulla rivista PNAS dell’Accademia delle Scienze degli Stati Uniti d’America) ed ha portato alla formazione di un aminoacido.

– Cosa dobbiamo sapere delle famose pozze primordiali per capire al meglio il vostro studio?

L’ipotesi della pozza primordiale fu introdotta da Charles Darwin alla fine del 1800. Nel suo libro, l’Origine delle Specie per Selezione Naturale Darwin non si era spinto molto avanti nell’affrontare il concetto dell’origine della vita. E’ un libro in cui i commenti ad una materia che a quel tempo era molto delicata furono “distillati” in alcuni punti del testo per rabbonire i critici dei circoli religiosi. Però, lo scienziato inglese aveva una sua idea e la espresse solamente in una lettera privata ad un suo caro amico e collega, il botanico Joseph D. Hooker, solo nel 1871. In questa missiva egli scrisse esplicitamente:” … ma se (oh, quale grande se) potessimo concepire che in qualche stagno caldo, in presenza di ogni sorta di ammoniaca e di sali fosforici, luce, calore, elettricità, ecc, si sia formato un qualche componente proteico già pronto a subire mutamenti ancora più complessi …” Darwin, quindi, immaginava questo stagno ricco di quelle molecole inorganiche, di cui ho parlato prima, che a causa di un fattore esterno (luce, calore, elettricità, …) hanno reagito chimicamente formando molecole via via più complesse. Ma esistono numerosi altri modelli prebiotici, alcuni dei quali implicano che la vita si sia formata nelle profondità del mare a livello di sorgenti idrotermali o sui cristalli di pirite. Un’altra ipotesi ritiene che i mattoni della vita siano giunti sulla superficie terrestre dallo spazio. In realtà su frammenti di meteoriti giunti sulla terra sono state trovate tracce di molecole basate sulla chimica del carbonio. Addirittura la teoria della Panspermia propone che le prime forme di vita sulla terra siano arrivate proprio dallo spazio trasportate da asteroidi e comete.

– Come è stata usata la simulazione per ricreare un ambiente del genere?

E’ ben noto a tutti che la materia che ci circonda è costituita da atomi tenuti insieme fra di loro attraverso legami chimici che si instaurano tramite la colla della materia: gli elettroni.

Su un qualunque calcolatore, note le leggi che governano la dinamica di un qualsiasi insieme di atomi, è possibile farli evolvere nel tempo. Per fare questo dobbiamo, però, scegliere che livello di comprensione vogliamo raggiungere. Se siamo interessati a proprietà che non coinvolgono la rottura e la formazione di legami fra atomi e molecole possiamo usare la dinamica molecolare classica: si tratta in parole molto semplici di far riprodurre al calcolatore un fenomeno che assomigli il più possibile a quello che succede nella realtà facendo evolvere dinamicamente i costituenti il nostro sistema seguendo le equazioni del moto di Newton. Quindi risolvendo queste equazioni del moto al calcolatore è possibile seguire la traiettoria degli atomi o molecole e vedere con una specie di microscopio teorico cosa succede nella materia reale. Viceversa, se siamo interessati a studiare delle reazioni chimiche e quindi la rottura e formazione di nuovi legami dobbiamo trattare il problema mediante l’uso della meccanica quantistica che è la teoria fisica che regola il comportamento del mondo a livello atomico. Descrivere correttamente come e perché due molecole possono produrre una reazione chimica è piuttosto complicato e solo in alcuni casi il problema è risolvibile analiticamente. Oggi è possibile eseguire delle simulazioni in cui il problema quantistico viene risolto numericamente, seguendo la dinamica del sistema, grazie ad alcuni metodi che prendono il nome di simulazioni numeriche da principi primi (spesso si usa la locuzione latina ab initio), intendendo con principi primi il fatto che la dinamica è quantistica. Il grande passo in avanti che ha permesso a cavallo degli anni ’60 e ’70 di applicare le leggi della meccanica quantistica alle proprietà microscopiche della materia fu fatto da Walter Kohn, premio Nobel per la chimica nel 1998, che introdusse la teoria del funzionale densità. Tale approccio teorico ha lo straordinario vantaggio di poter essere implementato numericamente permettendo la risoluzione delle complicate equazioni della meccanica quantistica. La teoria del funzionale densità richiede comunque risorse di calcolo estremamente performanti. Nel 1985 i fisici italiani Roberto Car e Michele Parrinello, allora entrambi alla SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati) di Trieste, svilupparono l’omonimo metodo che permette di seguire in silico (termine che è sinonimo di simulazione) l’evoluzione dinamica di un sistema di molecole per tempi confrontabili a quelli delle esperienze di laboratorio.

– Come stanno migliorando i super computer in questi anni? Quali future applicazioni avranno nel vostro campo?

Oggigiorno la simulazione numerica rappresenta il terzo paradigma della scienza (insieme all’esperimento e alla teoria) e il suo scopo non è quello di produrre freddi numeri, bensì quello di fornire un ulteriore strumento di comprensione della natura. Una delle più recenti sfide tecnologiche è la costruzione di calcolatori sempre più potenti. Quando si parla di potenza di un computer si intende la velocità nell’eseguire delle operazioni e la sua capacità di immagazzinare informazione. Continua a valere la famosa legge di Moore (Gordon Moore cofondatore della Intel) secondo il quale ogni diciotto mesi la potenza di un computer raddoppia. Tutto questo, però, potrebbe subire un’accelerazione incredibile se si riuscisse a costruire un calcolatore basato sulle legge della meccanica quantistica, meglio conosciuto oggi come quantum computer. Si sta facendo molta ricerca in questo campo e si cominciano a vedere i primi risultati.

Oggi esistono dei super centri di calcolo utilizzati per scopi di tipo militare oppure per le previsioni metereologiche, solo per fare qualche esempio.

Nel nostro campo i progressi sono stati notevoli. Oggi si riescono ad eseguire simulazioni numeriche che dieci anni fa sarebbero state impossibili. Ciò vuol dire poter eseguire esperimenti “numerici” molto più accurati che aiutano a comprendere meglio e interpretare i risultati degli esperimenti compiuti nei laboratori. Ma la simulazione numerica non serve solo come banco di prova ma suggerisce nuovi esperimenti in condizioni spesso molto ardue da ottenere in laboratorio.

Nel campo della chimica prebiotica le potenzialità dell’approccio computazionale sono enormi. Le applicazioni future riguarderanno lo studio di altri processi chimico-fisici relati alla costituzione di molecole sempre più complesse come la sintesi delle basi azotate e lo studio del legame peptidico, che è responsabile della formazione delle proteine partendo dai semplici aminoacidi.

– Cosa resta di veramente fondamentale da scoprire in quest’area di studio?

Lo studio della chimica prebiotica è un campo di ricerca con grandi prospettive. Ci sono moltissime ipotesi riguardo alla nascita delle prime molecole biologiche. Ognuna di loro ha una propria validità scientifica e riuscire a trovare quale di queste sia la più verosimile è un compito particolarmente impegnativo ma anche molto affascinante che vede collaborare scienziati con estrazioni culturali molto diversi fra loro. E’ sicuramente una tematica multidisciplinare dove saperi differenti cooperano per cercare di trovare una soluzione comune. Un aspetto fondamentale di particolare rilevanza al momento è lo studio di quei processi chimico-fisici che hanno permesso a molecole biologiche semplici come gli zuccheri e le basi azotate di auto assemblarsi in strutture molecolari con capacità auto replicanti. Uno degli approcci innovativi e originali che sta permettendo di ottenere risultati molto promettenti è proprio quello computazionale.

Gianluigi Marsibilio